晶振详解「工作原理、结构、特点、应用」

　1、晶振的简介

晶振，也称为振荡器。英文名为oscillator，通常有四个管脚和方向，它有功率、质量和时钟输出引脚，里面有晶体和振荡电路。无需输入信号源，可直接生成频率，频率在出厂时校准。特点：使用方便，频率稳定，电磁辐射小。石英晶体振荡器简称晶体振荡器。它通常是由石英晶体元件、集成电路、电阻电容和外壳组成的有源功能元件。当打开时，它可以输出稳定的频率信号。

基本结构：

晶体的基本构成如图1所示，在石英晶体上按一定方向切下薄片，在晶体片两个边缘处涂上一层银，用作是其电极，分别在两个电极上接上引线到管脚处，再加上封装外壳，就构成了石英晶体谐振器。

图1 晶振结构图

图2 晶振外形图（无源）

图2 晶振外形图（有源）

2、工作原理：

晶振的核心是石英晶体，这种晶体有一个很重要的特性，如果给它施加交变电压，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械振动，它又会产生交变电压，这种特性叫机电效应。在一般情况下石英晶体机械振动的振幅和产生交变电压的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，其振幅会明显变大，类似于LC电路的谐振现象，如图所示，fp>fs，只要输入信号的频率等于晶振的谐振频率，利用晶振组成的振荡电路就处于共振状态，其振荡频率由晶振决定。其石英晶体有一个很重要的特点，其振荡频率基本上只与晶片的形状、材料、切割方向等密切相关。

图3 晶振电路图和特性曲线图

它们的工作原理是机转电、电转机的原理。由电感、电容组成的谐振电路是磁场和电场的一直转换。这就是我们通常所说的电磁感应；事实上，它在电路中的应用是把它看成是一个高Q值的电磁谐振电路。因为石英晶体的损耗非常小，也就是说，Q值非常高。作为振荡器，它可以产生非常稳定的振荡。当用作滤波器时，它可以得到非常稳定和陡峭的带通曲线或带阻曲线。

通常采用晶振的电路，如图4（a）的考毕兹交流等效振荡电路；如图4（b）中是晶振交流的等效电路，电容Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。

图4

根据分析，Cv改变频率是有限的：当电路中电容为Cbe、Cce、Cv三个电容串联和Co并联再和C1串联，可决定振荡的频率。可以看出：C1越小，Co越大，Cv变化时对整个电路电容的作用就越小。因此，可“电压控制”的频率范围越小。实际上，由于C1很小（1E-15量级），Co不能忽略（1E-12量级，几PF）。所以，随着Cv的增加，降低信道频率的效果变得越来越小。随着Cv的减小，增加通道频率的影响变得越来越大。这一方面是它导致电压控制特性的非线性。电压控制范围越大，非线性越严重；另一方面，分给振荡的反馈电压（Cbe上的电压）却越来越小，最后导致停振。采用泛音次数越高的晶振，其等效电容C1就越小；因此频率的变化范围也就越小。

3、晶振的应用

晶振不仅可用为MCU的时钟，也在其他领域用途广泛，例如：

科尔皮兹晶体振荡器：它用于产生频率非常高的正弦输出信号。该振荡器可以用作不同类型的传感器，例如温度传感器。在Colpitts电路中使用一些器件，可以实现更高的温度稳定性和高频率。

图 5

阿姆斯壮晶体振荡器：该电路在过去的几十年里一直被使用。它们广泛应用于再生无线电接收机中。在该输入中，来自天线的射频信号通过附加绕组磁耦合到振荡电路，并减少反馈以控制反馈回路中的增益。最后，它产生了一个窄带射频滤波器和放大器。在晶体振荡器中，LC谐振电路被反馈回路取代。

图6

皮尔斯晶体振荡器：如下图，在电路中，晶振串联于电路中，晶振的作用决定振荡的频率。在输出和输入之间由ƒs提供低阻抗路径。在共振期间有180度的相移，以使反馈为正。输出正弦波的振幅限制在漏极端子的最大电压范围内。

图7

如表1所示：无源晶振与有源晶振分别的特点与区别。

表1 无源晶振与有源晶振的区别

晶振是干什么用的？晶振的作用和原理？一文带你搞懂晶振

大家好，我是李工，希望大家多多支持我。

今天给大家讲一个新的电子元器件--晶振，因为考虑到之前大家留言说篇幅太长，会把篇幅缩短一点。

这里主要是给大家讲一下什么是晶振？晶振是怎么制成的？晶振的内部结构，晶振的工作应用以及影响晶振频率相关的参数。

什么是晶振？

定义： 晶振一般指石英晶体振荡器，也叫晶体振荡器。

晶体振荡器是一种使用逆压电效应的电子振荡器电路，即当电场施加在某些材料上时，它会产生机械变形。因此，它利用压电材料的振动晶体的机械共振来产生具有非常精确频率的电信号。

晶体振荡器具有高稳定性、品质因数、小尺寸和低成本 ，这使得它们优于其他谐振器，如 LC 电路、陶瓷谐振器、转叉等。

晶振实物图

电路符号： 晶振是电子电路中最常用的电子元件之一，一般用字母“X”、“G”或“Z” 表示，单位为Hz，晶振的图形符号如图所示。

晶振的电路符号

晶振是怎么制成的？--如何从石英毛坯变成晶振？

石英毛坯在振荡电路中用作谐振元件，当受到电压电位的影响时，它将开始以其“基本频率”振动和振荡，这是一种相互关系：电路支持机械共振，反之亦然。晶体用于振荡器的反馈回路中，以限制振荡器的频率。

下图为从原始石英晶体材料到封装为最终晶振图。

从原始石英晶体坯料到封装为最终的晶振图

晶振内部是怎么样的？

如下图所示，整个晶体被金属外壳覆盖。

晶振内部图

拆下这个金属外壳后，我们可以看到一个像毯子一样的网，以保护晶体免受机械损坏。

晶振内部图

在下图中，我们可以看到外部金属外壳内的网状外壳和晶振放置在其中。

晶振内部图

去除金属覆盖物后，我们可以看到石英晶体板及其与外部电极的连接方式，如下图所示。

晶振内部图

晶振的工作原理

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件 ，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

压电效应： 若在石英晶体的两个电极上加上一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。

晶振的工作原理图（来源于网络）

如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。

在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似 。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

晶振实物图

当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个皮法到几十皮法。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。

晶振的等效电路

在晶体振荡器中，晶体被适当地切割并安装在两个金属板之间，如图下图左边图所示。其电气等效如下图右边图所示。

实际上，晶体的行为就像一个串联 RLC 电路 ，由组件组成：

低阻值电阻 R S大值电感 L S小值电容器 C S

然后将与其电极 C p的电容并联。

晶振的等效电路图

石英晶体的等效电路显示了一个串联RLC电路，它表示晶体的机械振动，与一个电容Cp并联，它表示与晶体的电气连接，石英晶体振荡器倾向于朝着它们的“串联谐振”运行。

晶振阻抗频率

晶体的等效阻抗具有串联谐振，其中Cs在晶体工作频率下与电感Ls谐振。该频率称为晶体系列频率，ƒs。除了这个串联频率之外，当Ls和Cs与并联电容器Cp谐振时产生并联谐振，如下图所示，还建立了第二个频率点。

晶振阻抗频率图

上面晶体阻抗的斜率表明，随着频率在其端子上增加，在特定频率下，串联电容器Cs和电感器Ls之间的相互作用产生了一个串联谐振电路，将晶体阻抗降至最低并等于Rs ，这个频率点称为晶体串联谐振频率ƒs，低于ƒs晶体是电容性的 。

随着频率增加到该串联谐振点以上，晶体的行为就像一个电感，直到频率达到其并联谐振频率ƒp。

在这个频率点，串联电感Ls和并联电容器Cp之间的相互作用产生了一个并联调谐的 LC 谐振电路，因此晶体两端的阻抗达到了最大值。

因此，根据电路特性，石英晶体可以用作电容、电感、串联谐振电路或并联谐振电路，为了更清楚地说明这一点，我们可以·看下图晶体电抗与频率的关系。

晶振电抗频率

如下图所示，电抗与上述频率的斜率表明，频率ƒs处的串联电抗与Cs成反比，因为低 于ƒs和高于ƒp晶体呈现电容性。

在频率ƒs和ƒp之间，由于两个并联电容抵消，晶体呈现电感性。

晶振电抗频率图

串联谐振频率

根据下图的等效电路图可以得出串联谐振频率：

晶振等效电路图

串联谐振频率公式

并联谐振频率

当串联 LC 支路的电抗等于并联电容器的电抗Cp时，会出现并联谐振频率ƒp ，并给出如下：

并联谐振频率公式

石英晶体振荡器示例

石英晶体具有以下值：Rs = 6.4Ω，Cs = 0.09972pF，Ls = 2.546mH。如果其两端的电容，Cp测量为28.68pF，计算晶体的基本振荡频率及其次级谐振频率。

晶振串联谐振频率，ƒ S：

串联谐振频率计算

晶振的并联谐振频率，ƒ P：

并联谐振频率计算

可以看到，晶振的基频 ƒs 和ƒp之间的差异很小，约为 18kHz (10.005MHz – 9.987MHz)。然而，在这个频率范围内，晶体的 Q 因子（品质因数）非常高，因为晶体的电感远高于其电容或电阻值。

晶体振荡器 Q 因子：

晶振在串联谐振频率下的 Q 因子为：

晶体振荡器Q因子

晶体示例的 Q 因子约为 25,000，是因为这种高X L / R比率。

大多数晶体的 Q 因子在 20,000 到 200,000 之间，良好的 LC 调谐槽路电路将远小于 1,000。

这种高 Q 因子值还有助于晶体在其工作频率下的更高频率稳定性，使其成为构建晶体振荡器电路的理想选择。

已经看到石英晶体的谐振频率与电调谐 LC 谐振电路的谐振频率相似，但Q因子要高得多，这主要是由于其低串联电阻Rs。因此，石英晶体是振荡器特别是高频振荡器的绝佳组件选择。

典型的晶体振荡器的振荡频率范围可以从大约 40kHz 到远高于 100MHz，具体取决于它们的电路配置和使用的放大设备 。 晶体的切割也决定了它的行为方式，因为一些晶体会以一种以上的频率振动，从而产生称为泛音的额外振荡。

此外，如果晶体的厚度不平行或不均匀 ，它可能具有两个或多个谐振频率，都具有产生所谓的谐波的基频和谐波 ，例如二次或三次谐波 。

影响晶振振荡频率的主要因素

工作点变化

我们之前已经了解过晶体管，并且知道了工作点的重要性，对于晶振来说，这个工作点的稳定性需要更高的考虑。

使用的有源器件的操作被调整到其特性的线性部分，该点由于温度变化而移动，因此稳定性受到影响。

温度变化

振荡电路中的振荡电路包含各种元件，例如电阻、电容和电感。它们的所有参数都取决于温度，由于温度的变化，它们的值会受到影响，这就会影响到振动电路频率的变化。

电源影响

供电功率的变化会影响频率，电源变化导致V cc变化，从而影响所产生的振荡频率。

为了避免这种情况的发生，实施了稳压电源系统，简称为 RPS。

输出负载变化

输出电阻或输出负载的变化会影响振荡器的频率。当连接负载时，储能电路的有效电阻会发生变化。

LC调谐电路的Q因数发生了变化，这就会导致振荡器的输出频率发生变化。

元件间电容的变化

元件间电容是在二极管和晶体管等 PN 结材料中产生的电容，这些是由于它们在操作过程中存在的电荷而产生的。

由于温度、电压等各种原因，元件间电容会发生变化。不过这个问题可以通过跨过有问题的元件间电容连接 电容来解决。

Q值

振荡器中的 Q（品质因数）值必须很高。调谐振荡器中的 Q 值决定了选择性。由于该 Q 与调谐电路的频率稳定性成正比，因此 Q 值应保持较高。

如果Q值的变化，将会影响到频率稳定性。

以上就是关于晶振的工作原理的一些知识点，下一篇将会讲一下晶振振荡电路，希望大家多多支持。

图片来源于网络

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